單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)開題報告.doc

信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報告)浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告信電系電氣技術(shù)專業(yè)03級課題名稱：單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：2006年2月15日6月2日(共16周)學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：報告日期：信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報告)1本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述一、單片機的發(fā)展?fàn)顩r1十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、白動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室白動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定句、汽車火花控制、交通白動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。單片機不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個芯片上制成了CPU和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(工nterface)。在一個大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計算機結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機MCS-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，MCS-51單片機指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需要設(shè)有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令；CPU時鐘高達(dá)12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運算僅需要4Ns；具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在0到700,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在-65到+125；工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在-40到+85溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用品低。在單片機應(yīng)用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性。近年來，在國際上出現(xiàn)了Mechanics和electronics復(fù)合成的Mechtronics這個新詞，我國譯為“機電一體化”。這種機械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學(xué)科領(lǐng)域是先進制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電器控制的實時性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時追求體積小、價格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設(shè)計的單片機白然成為機電一體化控制器的最佳選擇。單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個階段10:第一階段:1971-1974年，4位微處理器工ntel4004及8位微處理器工ntel8008，這些計算機價格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。第二階段:1974-1978年，初級單片機階段，以工ntel公司的MCS-48為代表，8位單片機。第三階段:1978-1983年，高性能單片機階段。以工ntel公司MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等為代表。這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)RAM,ROM容量加大，尋址范圍可達(dá)64K字節(jié)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計算機中。第四階段:1983年至今，8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度為12萬只晶體管信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報告)片，尋址范圍64K字節(jié)、5個8位并行口、一個全雙工串行口、4個16位定時器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器等，另外MCS-96指令能處理位、字節(jié)、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計算機的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機相媲美。單片機己經(jīng)進入一個嶄新的階段。二、步進電機的發(fā)展?fàn)顩r2步進電動機上個世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、動作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿陀嬎銠C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力，因此，用微型計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機床的生產(chǎn)制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電機也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動送料機中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中等等。2設(shè)計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為永磁式步進電機（簡稱PM）、反應(yīng)式步進電機（簡稱VR）和混合式步進電機（簡稱HB）：永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。早期的步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報告)由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。1、步進電機的控制方法及原理4步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件,實質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器,功率放大器及步進電機等組成.步進控制器由緩沖寄存器,環(huán)形分配器,控制邏輯及正,反轉(zhuǎn)控制門等組成,能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖,以便控制步進電機,并能進行正反向控制.但由于步進控制器線路復(fù)雜.成本高.采用單片機控制,用軟件代替上述步進控制器,使得線路簡單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進電機的控制方案,無需邏輯電路組成時序發(fā)生器.軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進電機勵磁序列來控制各種步進電機的運行方式并可實現(xiàn)一機控制多臺電機.提供靈活多樣的控制手段和提高控制精度對復(fù)雜繁瑣的控制易于實現(xiàn)。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。2、進電機的主要特性6（1）步進電機必須加驅(qū)動才可以